膿毒癥相關(guān)性腦病發(fā)病機制的研究進展

白洪梅(綜述)，楊秀芬(審校)

(河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)一科，河北 石家莊 050031)

膿毒癥是全球重癥監(jiān)護室的常見危重病，發(fā)病率及病死率圴較高，給社會及家庭帶來了沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年膿毒癥患病人數(shù)近3 000萬，發(fā)病率呈不斷上升趨勢，其病死率遠(yuǎn)超1/4，存活的患者中有近300萬存在不同程度的認(rèn)知功能障礙[1-2]。膿毒癥是宿主對感染反應(yīng)失調(diào)導(dǎo)致的威脅生命的器官功能障礙[3]，是一種全身性失調(diào)的炎癥反應(yīng)，對各個器官系統(tǒng)都有深遠(yuǎn)的影響，其中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)是常見受累部位。在無直接中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染和其他可能腦功能障礙原因的情況下，感染引起的彌漫性腦功能障礙被稱為膿毒癥相關(guān)性腦病(sepsis associated encephalopathy，SAE)[4]。有研究表明，高達(dá)70%的膿毒癥患者發(fā)生了SAE，且經(jīng)常是在疾病早期其他器官受累之前就已經(jīng)發(fā)生[5-6]，臨床表現(xiàn)為從輕度譫妄至重度昏迷甚至死亡等不同程度的腦功能紊亂，隨后還可能會遺留長期的認(rèn)知、記憶下降等神經(jīng)損害[7]。并因此造成總住院時間延長、傷殘率及病死率升高，嚴(yán)重影響了預(yù)后，給患者家庭和衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來了巨大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[8]。盡管SAE的發(fā)病率如此之高、社會影響如此之大，但其確切的病理生理機制至今尚不完全清楚。目前普遍認(rèn)可的幾大機制是：神經(jīng)炎癥、細(xì)胞應(yīng)激、血腦屏障破壞、血流調(diào)節(jié)異常、代謝紊亂。現(xiàn)本文就SAE發(fā)病機制的研究進展予以綜述。

1 神經(jīng)炎癥

1.1細(xì)胞因子作用于中樞 創(chuàng)傷、感染等因素導(dǎo)致膿毒癥患者體內(nèi)炎癥反應(yīng)失調(diào)，炎癥系統(tǒng)被過度激活，大量的炎癥介質(zhì)釋放，形成細(xì)胞因子風(fēng)暴作用于中樞神經(jīng)細(xì)胞，由此引起譫妄等異常精神心理表現(xiàn)可能在SAE的發(fā)病機制中扮演著重要的角色。在病原體入侵后，機體啟動炎癥反應(yīng)，抗原提呈細(xì)胞通過模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)識別病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)。PAMPs和PRRs之間的相互作用激活了促炎通路，促進腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1和IL-6等膿毒癥早期炎癥因子和晚期促炎介質(zhì)如高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)的表達(dá)[9]。已有研究證實，促炎細(xì)胞因子在腦中的表達(dá)增加[10]，特別是在海馬、下丘腦、自主神經(jīng)核中，其增加與SAE患者的神經(jīng)毒性反應(yīng)相關(guān)，或直接作用，或通過氧化應(yīng)激作用[11]。該炎癥信號向大腦傳遞主要通過迷走神經(jīng)和腦室周圍器官(circumventricular organs，CVO)這2條途徑，因迷走神經(jīng)大部分傳入纖維終止于孤束核，孤束核與其他自主神經(jīng)和下丘腦室旁核存在廣泛聯(lián)系，遂此過程又涉及邊緣系統(tǒng)、下丘腦-垂體軸、藍(lán)斑-去甲腎上腺素能系統(tǒng)[12]。一方面，細(xì)胞因子可通過自主神經(jīng)將炎癥信號傳遞到延髓自主核。另一方面，炎癥介質(zhì)可通過血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)受損區(qū)域及缺乏BBB的CVO被動進入大腦,并在下丘腦核、海馬體、杏仁核和腦干的自主神經(jīng)核等更深的大腦區(qū)域進展，進而通過下丘腦核附近的血管和藍(lán)斑的相關(guān)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用穿過BBB。如IL-1可通過刺激迷走神經(jīng)影響腦干、邊緣系統(tǒng)和下丘腦，引發(fā)食欲不振、情緒變化和認(rèn)知障礙等病理行為；TNF-α通過影響色氨酸代謝，降低 5-羥色胺水平，進而導(dǎo)致抑郁癥發(fā)生；IL-1、IL-6和TNF等細(xì)胞因子可激活大腦內(nèi)皮細(xì)胞或小膠質(zhì)細(xì)胞合成前列腺素E2，激活視前核引起發(fā)熱，并通過下丘腦-垂體-腎上腺軸增加皮質(zhì)醇的產(chǎn)生，造成患者的情感障礙；同時，IL-1、TNF或HMGB1直接激活或損傷神經(jīng)元后激活小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，還可以進一步產(chǎn)生促炎因子，放大腦內(nèi)的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致該過程的惡性循環(huán)[13-14]。已有動物實驗研究指出，降低炎癥細(xì)胞因子的水平，可改善膿毒癥后小鼠的認(rèn)知功能及空間學(xué)習(xí)記憶[15]。但相關(guān)具體機制有待進一步研究。

1.2補體級聯(lián)反應(yīng)的參與 補體級聯(lián)反應(yīng)一直被認(rèn)為在炎癥疾病中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)病原體入侵機體后，補體系統(tǒng)在一定程度上幫助機體對抗感染、清除炎癥介質(zhì)。雖然在膿毒癥期間補體的激活在某種程度上是有益的，但被發(fā)現(xiàn)其過度激活將導(dǎo)致促炎因子及活性氧的產(chǎn)生、細(xì)胞凋亡、免疫反應(yīng)崩潰、凝血系統(tǒng)惡化、血腦屏障破壞甚至多器官衰竭等不利影響[16]。已有研究發(fā)現(xiàn)，補體級聯(lián)反應(yīng)的激活與膿毒癥患者的致命結(jié)局相關(guān)。而補體激活在大腦眾多炎癥、退行性疾病、急性和慢性疾病中也得到證實。其中補體C3、C5可能與膿毒癥相關(guān)性譫妄相關(guān)。補體級聯(lián)激活導(dǎo)致關(guān)鍵蛋白C3和C5的裂解，C3上調(diào)導(dǎo)致血腦屏障破壞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的激活，誘導(dǎo)TNF、IL-1、IL-6、IL-18的釋放和水通道蛋白4的高表達(dá)，加劇神經(jīng)炎癥及腦水腫[17]。C3裂解形成C3a和C3b，導(dǎo)致C5a的產(chǎn)生，C3b、C5b啟動膜攻擊復(fù)合物的組裝，可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。過敏毒素C5a是血腦屏障功能障礙和神經(jīng)炎癥的關(guān)鍵中介物，已有動物實驗研究表明，阻斷C3、C5a可以降低室旁核和杏仁核的神經(jīng)元活化、逆轉(zhuǎn)血腦屏障的功能障礙，恢復(fù)膿毒癥腦的免疫和內(nèi)分泌穩(wěn)態(tài)，使膿毒癥小鼠僅表現(xiàn)為輕微的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡及腦水腫[18-19]，這也提示了補體系統(tǒng)在SAE發(fā)病機制中起到一定作用。

2 細(xì)胞應(yīng)激

2.1氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激在膿毒癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著不可忽視的作用，并且發(fā)生在膿毒癥病程早期，是造成免疫細(xì)胞功能失衡和失調(diào)的重要因素。其所造成的氧化損傷可能參與膿毒癥發(fā)展過程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀的發(fā)展，甚至是SAE。在膿毒癥初始階段的全身炎癥反應(yīng)中產(chǎn)生的大量活性氧與氮物質(zhì)，啟動腦血管與腦實質(zhì)中的脂質(zhì)過氧化，在腦內(nèi)進一步產(chǎn)生自由基，招募炎癥介質(zhì)，引起局灶性炎癥，損害大腦的氧化代謝，誘導(dǎo)某些區(qū)域的神經(jīng)元凋亡，從而導(dǎo)致認(rèn)知功能缺損等SAE的癥狀。此外，過氧化氫還參與調(diào)節(jié)與全身炎癥免疫激活相關(guān)的途徑，促進TNF、IL-6和IL-1等促炎因子的分泌，加重炎癥過程[20]。基于此機制的提出，Xie等[21]通過動物實驗研究證實，抗氧化應(yīng)激物質(zhì)的激活可阻斷巨噬細(xì)胞的炎癥信號，減少膿毒癥炎性反應(yīng)，減輕腦損傷，進一步從側(cè)面證實氧化應(yīng)激過程在SAE發(fā)生中的關(guān)鍵作用。此外，SAE時由于過氧化物與抗氧化系統(tǒng)的嚴(yán)重失衡所導(dǎo)致的氧化應(yīng)激損傷與腦功能障礙，持續(xù)存在于膿毒癥整個過程，并可能在痊愈后持續(xù)存在，因而也被認(rèn)為是膿毒癥后長期神經(jīng)損害的機制之一。

2.2線粒體功能障礙 線粒體是能量供應(yīng)場所，為機體代謝提供ATP，還有調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣離子、活性氧的產(chǎn)生、細(xì)胞自噬等功能。線粒體功能障礙在膿毒癥腦病中通過多種機制發(fā)生，包括線粒體融合/分裂比失衡以及線粒體轉(zhuǎn)運異常相關(guān)的線粒體結(jié)構(gòu)改變、電子傳遞呼吸鏈阻斷、軸突功能受損等[22]。線粒體一旦受損，機體各組織器官尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧利用能力下降，加重缺氧性損傷，促進氧化應(yīng)激、代謝紊亂和細(xì)胞凋亡。Hiengrach等[23]通過動物實驗證實，線粒體解偶聯(lián)劑BAM15可通過抑制脂多糖誘導(dǎo)的線粒體損傷、減弱大腦巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)，從而改善神經(jīng)元功能，并因此被提議作為膿毒癥尤其是SAE的輔助治療方法。近年來尚有學(xué)者利用線粒體移植技術(shù)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化，抑制促炎因子的分泌，改善了膿毒癥小鼠的認(rèn)知障礙[15]。提示線粒體功能障礙在SAE的發(fā)病機制中起著重要作用，可能是SAE的潛在治療靶點。

2.3細(xì)胞凋亡與焦亡 細(xì)胞凋亡是細(xì)胞在一定的生理或病理條件下，受多種基因精準(zhǔn)調(diào)控的主動、程序化的死亡過程，是機體重要的自穩(wěn)調(diào)節(jié)機制；細(xì)胞焦亡是炎癥性程序性細(xì)胞死亡，由微生物感染和內(nèi)源性損傷相關(guān)信號誘導(dǎo)，依賴天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase-1、4、5、11 )切割 Gasdermin D(GSDMD)活性 N -末端片段(GSDMD-NT)，在細(xì)胞質(zhì)膜中形成裂孔、釋放促炎因子(IL-1β、IL-18)，是宿主抵抗病原體感染的天然免疫防御機制。越來越多的研究表明，細(xì)胞凋亡、焦亡與膿毒癥息息相關(guān)。尤其在血腦屏障受損部位比正常腦組織中發(fā)生更多的神經(jīng)元凋亡[24]，在該過程中，線粒體Bax調(diào)控基因和線粒體細(xì)胞色素C起著重要作用。Xu等[25]在膿毒癥小鼠模型中證實caspase-1抑制劑抑制GSDMD及GSDMD-NT能減少大腦細(xì)胞凋亡，同時也減少膿毒癥小鼠血清和腦組織中IL-1β和TNF-α的表達(dá)，從而減少小膠質(zhì)細(xì)胞的活化、減輕血腦屏障的破壞，改善膿毒癥小鼠的認(rèn)知功能，對SAE小鼠產(chǎn)生腦保護作用。

2.4小膠質(zhì)細(xì)胞活化與星形膠質(zhì)細(xì)胞增生 小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中高度特化的巨噬細(xì)胞樣免疫細(xì)胞群，可介導(dǎo)神經(jīng)保護和神經(jīng)毒性作用，負(fù)責(zé)維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損后，小膠質(zhì)細(xì)胞活化迅速增殖、表型極化并遷移到受損部位，分泌IL-1β、TNF-α等大量促炎因子[26]，破壞BBB，這進一步增強了小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，造成惡性循環(huán)，最終加劇神經(jīng)元損傷。Zhao等[27]發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶障礙的膿毒癥小鼠的海馬區(qū)存在小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活，其機制可能與核因子κB信號通路相關(guān)。Wang等[28]與其研究結(jié)果一致，并進一步通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化過程改善了SAE小鼠認(rèn)知障礙。

星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵穩(wěn)態(tài)細(xì)胞，具有廣泛的功能，包括離子穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)遞質(zhì)代謝、液體平衡、神經(jīng)元的產(chǎn)生、突觸連接與可塑性的維持等，同時，星形膠質(zhì)細(xì)胞是形成BBB的實質(zhì)部分，因與神經(jīng)元和其他膠質(zhì)細(xì)胞聯(lián)系密切而成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要守護者，控制BBB的通透性并調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化[29]。SAE時炎癥因子浸潤腦實質(zhì)導(dǎo)致微膿腫形成，細(xì)菌和內(nèi)毒素激活星形膠質(zhì)細(xì)胞，可形成致密保護網(wǎng)阻止炎癥擴散，但同時也可能出現(xiàn)反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫、增生、變性，功能喪失，導(dǎo)致病灶周圍實質(zhì)水腫，加劇神經(jīng)毒性[30]。Mithaiwala等[31]證實，星形膠質(zhì)細(xì)胞功能失調(diào)是許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的共同證據(jù)，并強調(diào)了星形膠質(zhì)細(xì)胞中一些靶向過程，為SAE潛在治療藥物的開發(fā)提供了思路。

3 BBB功能障礙

BBB是由腦血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和周圍小膠質(zhì)細(xì)胞通過緊密連接形成的腦實質(zhì)與腦循環(huán)之間具有高度選擇性的界面，參與大腦血流的調(diào)節(jié)，為大腦提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，并可有效限制有害物質(zhì)侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，維持大腦微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。膿毒癥期間IL-1β和TNF-α等炎癥因子通過干擾緊密連接和內(nèi)皮細(xì)胞的通透性使BBB受損，出現(xiàn)水通道蛋白4調(diào)控的水運紊亂，導(dǎo)致血管周圍水腫，破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞足端，大腦攝取芳香族氨基酸增加[5]，進而出現(xiàn)精神狀態(tài)的改變。該過程與膠質(zhì)細(xì)胞激活、內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、鞘脂代謝和線粒體功能障礙密切相關(guān)，并形成BBB功能障礙與神經(jīng)元損傷相結(jié)合的惡性循環(huán)[20]，這可能是SAE的重要機制之一。Chen等[32]在構(gòu)建的SAE活體大鼠模型中證實，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Maf1通過顯著減弱IL-1β、IL-18、炎癥小體NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)的釋放及緊密連接蛋白的破壞，保護了BBB的完整性，并最終改善了認(rèn)知障礙。因此，了解膿毒癥期間BBB完整性破壞的機制對于SAE的診斷及治療策略的實施至關(guān)重要。

4 血流調(diào)節(jié)異常

腦血流異常是SAE發(fā)展過程中的一個重要因素。一方面，膿毒癥休克時心排出量下降可導(dǎo)致腦組織血流灌注不足，一氧化氮相關(guān)的腦動脈自身調(diào)節(jié)失調(diào)也會導(dǎo)致腦灌注減少；另一方面，BBB受損所致的血管周圍組織水腫造成的血管壓迫也將在一定程度減少腦灌注。膿毒癥患者的血管內(nèi)皮存在不同程度的損傷，機體促凝因子與抗凝因子失衡，發(fā)生多微血栓、小血管阻塞，甚至彌散性血管內(nèi)凝血，造成微循環(huán)障礙，最終導(dǎo)致神經(jīng)元缺氧和凋亡[33]。臨床研究證實，膿毒癥患者的大腦自我調(diào)節(jié)發(fā)生改變，血流和新陳代謝失去耦合，腦血管對CO2的反應(yīng)紊亂，因而加劇腦組織缺氧及器官損害，發(fā)生譫妄等一系列神經(jīng)精神癥狀[34]。

5 代謝紊亂

膿毒癥期間BBB功能受損導(dǎo)致通透性增加，使得炎癥細(xì)胞因子、代謝產(chǎn)物、毒物、神經(jīng)活性物質(zhì)等轉(zhuǎn)運出現(xiàn)異常，導(dǎo)致大腦代謝紊亂，并可能在SAE的發(fā)病機制中起作用。其中血清和大腦氨基酸及神經(jīng)遞質(zhì)的變化尤為顯著，這種變化又與腸道菌群紊亂、腸腦軸調(diào)節(jié)異常相關(guān)[35]。例如，色氨酸是大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵氨基酸，穿透BBB后被分解代謝為5-羥色胺，可作為一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)參與調(diào)節(jié)神經(jīng)心理過程。支鏈氨基酸與芳香族氨基酸比例失調(diào)也參與SAE的發(fā)病過程，即膿毒癥時大腦攝取芳香族氨基酸過多，造成假性神經(jīng)遞質(zhì)增多、神經(jīng)遞質(zhì)紊亂，抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)去甲腎上腺素途徑，引發(fā)嗜睡甚至昏迷等神經(jīng)精神癥狀。膽堿能途徑失調(diào)也與SAE的發(fā)病有關(guān)。膿毒癥時，迷走神經(jīng)可將炎癥信號傳遞至中樞神經(jīng)，并刺激迷走神經(jīng)末梢釋放乙酰膽堿來參與調(diào)控炎癥反應(yīng)。SAE小鼠海馬區(qū)的乙酰膽堿受體表達(dá)降低，迷走神經(jīng)膽堿能抗炎通路受抑制，致使炎癥反應(yīng)失控，最終導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙[36]。

6 結(jié) 語

SAE是膿毒癥患者中的一種危重情況，患者病死率高、預(yù)后差，即便有幸存活也常伴有認(rèn)知障礙，嚴(yán)重影響著膿毒癥患者的長期健康，已成為公共衛(wèi)生日益沉重的負(fù)擔(dān)。上述有關(guān)SAE的各種機制平行參與、相互影響，共同導(dǎo)致了SAE的發(fā)生與發(fā)展。但對于其詳細(xì)機制至今尚未完全闡明，且因缺乏特異性診斷方法，該疾病漏診率極高。因此，探索SAE的潛在發(fā)病機制，進而尋找敏感度和特異度更高的診斷相關(guān)生物標(biāo)志物，甚至找出SAE發(fā)病的關(guān)鍵靶點，實施特異性阻斷，并幫助制定預(yù)防策略，可能是后續(xù)相關(guān)研究中最值得探索的目標(biāo)和最有研究價值的方向，對于改善SAE的臨床診斷及治療現(xiàn)狀意義重大。